并聯(lián)型混合有源濾波器與SVC的綜合Simulink仿真

李文娣

摘 要：提出1種TCR型SVC與并聯(lián)型混合電力濾波器綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效補(bǔ)償無功功率和抑制諧波。簡要敘述了與該系統(tǒng)有關(guān)的內(nèi)容，以期為其今后的使用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：APF；無功補(bǔ)償；諧波檢測；濾波器

中圖分類號：TN713+.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.007

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大量的非線性負(fù)載被使用在電網(wǎng)中，尤其是將電力電子設(shè)備應(yīng)用在發(fā)電、輸電、配電和用電的過程中，對電網(wǎng)的污染也日漸嚴(yán)重。在此過程中，其污染主要來自無功功率和諧波兩個方面。本文將并聯(lián)混合電力濾波器和SVC并聯(lián)使用，這樣既可以補(bǔ)償無功功率，也可以有效抑制諧波電流。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無功諧波綜合補(bǔ)償系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要是由并聯(lián)型混合濾波器、TCR 型SVC和負(fù)載等部分構(gòu)成的。并聯(lián)型混合電力濾波器是由有源電力濾波器（APF）和無源電力濾波器（PPF）組成的。其中，APF 的作用是改善PPF的濾波特性，避免無源濾波器易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的情況發(fā)生，進(jìn)而改善補(bǔ)償效果。

2 有源電力濾波器電流檢測方法瞬時無功功率運(yùn)算

并聯(lián)有源濾波器技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)成熟，主要適用于非線性負(fù)載的電流源、無功功率補(bǔ)償和消除三相系統(tǒng)中的不平衡電流的諧波電流等，是目前使用最廣泛的APF拓?fù)洹?/p>

與p-q檢測法相比，ip-iq檢測法用鎖相技術(shù)提取A相基波電壓的相位，以此代替系統(tǒng)相電壓，所以，這種算法的檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響。將基波分量變換到零頻率處，用數(shù)字低通濾波器提取基波信號，可以消除模擬低通濾波器的相位問題，并且不會造成有些頻率分量的增大或衰減。

該方法的原理如圖2所示。圖2中：

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與p、q運(yùn)算方式相似，如果要檢測諧波和無功電流之和時，只需斷開圖2中計算iq的通道即可；如果只需檢測無功電流，則只要反變換iq即可。

3 有源電力濾波器控制策略

滯環(huán)比較方式的原理是將指令電流與補(bǔ)償電流的偏差作為滯環(huán)控制器的輸入，輸出則為PWM脈沖信號，這些半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率是隨著滯環(huán)控制器的輸入，即電流偏差信號變化而變化的。針對傳統(tǒng)滯環(huán)固定環(huán)寬控制器開關(guān)器件開關(guān)頻率高并且范圍廣的問題，建立如下數(shù)學(xué)模型。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，由圖1可得：

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式（2）中：Vsa為A相電源側(cè)電壓；L為電感系數(shù)；ica為A相電源測電流；Va為a點(diǎn)電壓，當(dāng)a橋臂上半部導(dǎo)通時，Vs等于0.5 Vdc，反之，當(dāng)a橋臂下半部導(dǎo)通時，Vs等于-0.5 Vdc。

此時，當(dāng)逆變器實(shí)際輸出電流等于指令電流時，可得：

式（3）中：i*ca為指令電流；v*a為a點(diǎn)參考電壓，當(dāng)a點(diǎn)實(shí)際電壓等于參考電壓時，逆變器主電路輸出電流等于指令電流。

將式（3）減去式（2）得：

式（7）中：HB為滯環(huán)寬度；Vdc為直流側(cè)電壓；fc為開關(guān)管開關(guān)頻率；Vsa為電源側(cè)電壓；L為電感系數(shù)。

由式（7）可知，在傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制中，HB是固定不變的，因此，開關(guān)頻率是隨著直流側(cè)電壓、電源側(cè)電壓和指令電流的斜率變化而變化的。所以，只要環(huán)寬HB能夠隨著直流側(cè)電壓、電源電壓和指令電流斜率變化而調(diào)整，那么，就能保持開關(guān)管的開關(guān)頻率不變?；诖?，本文設(shè)計了隨著直流側(cè)電壓、電源電壓和指令電流斜率變化而變化的可變環(huán)寬滯環(huán)電流控制器。將指令電流與補(bǔ)償電流之間的偏差信號送入滯環(huán)比較器后，輸出PWM脈沖信號，以此來驅(qū)動主電路產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流。其中，滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度是由滯環(huán)寬度計算器得到的，只需在滯環(huán)寬度計算器中分別輸入電源電壓、直流側(cè)電壓和指令電流偏差。

4 TCR的控制策略

當(dāng)電網(wǎng)中的負(fù)載發(fā)生擾動時，無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)能夠控制電網(wǎng)電壓，將其設(shè)為給定值，并且在保證電網(wǎng)電壓為給定值的同時，能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。

根據(jù)控制的要求，要想得到恒定的電壓，就需要引入電壓閉環(huán)控制。電壓環(huán)內(nèi)為導(dǎo)納補(bǔ)償環(huán)，其設(shè)置的目的就是當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)對負(fù)載擾動時，響應(yīng)速度能夠更快。當(dāng)負(fù)載發(fā)生擾動，瞬時檢測到負(fù)載的無功導(dǎo)納變化量時，TCR可根據(jù)檢測到的無功導(dǎo)納的變化計算出觸發(fā)角α，從而改變TCR的輸出瞬時抵消負(fù)載無功導(dǎo)納的變化。同時，由于負(fù)載有功導(dǎo)納也會發(fā)生變化，所以，用電壓調(diào)節(jié)器輸出改變導(dǎo)納的給定值，以此保證系統(tǒng)電壓的不變。此時，由于調(diào)節(jié)器輸出的給定值發(fā)生了變化，系統(tǒng)的功率因數(shù)也會隨之發(fā)生變化，所以，在設(shè)計時，要保證其功率因數(shù)在相應(yīng)的范圍內(nèi)變化。 5 綜合系統(tǒng)仿真及其分析

采用MATLAB6.5仿真軟件進(jìn)行仿真和分析。在 MATLAB/ Simulink中，對綜合系統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)（380 V，50 Hz）補(bǔ)償諧

波電流和無功功率的情況進(jìn)行仿真和分析。在仿真模型中，采用ode45算法，而配電系統(tǒng)的電源為我國常用的三相對稱電壓源。為了科學(xué)地分析系統(tǒng)的補(bǔ)償效果，非線性負(fù)載采用三相不控整流帶阻感對稱負(fù)載，并且R=20 Ω，L=0.1 mH，此時，非線性負(fù)載三相對稱。模型由兩部分組成，一部分為并聯(lián)型混合有源濾波器模塊，另一部分為SVC模塊。下面簡要介紹模型和仿真情況。

觀察A相補(bǔ)償前電網(wǎng)電流的波形及其頻譜，發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行補(bǔ)償時，A相總諧波畸變率THD=30.24%，此時的功率因數(shù)為0.707 2；而補(bǔ)償后，觀察A相電網(wǎng)電流波形及其頻譜圖，PWM的開關(guān)頻率為10 kHz。當(dāng)諧波電流被補(bǔ)償后，A相電網(wǎng)電流的總畸變率THD=3.56%，此時，功率因數(shù)為0.918 8，如圖3所示。

采用建模仿真和實(shí)驗(yàn)調(diào)試相結(jié)合的方法檢驗(yàn)綜合系統(tǒng)的參數(shù)和補(bǔ)償效果，給出了仿真和實(shí)驗(yàn)波形，并分析了仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效抑制諧波，補(bǔ)償無功功率。

6 結(jié)論

目前，在無功補(bǔ)償裝置中進(jìn)行諧波治理的一個重要趨勢是采用有源濾波器APF。此方案就是在原來FC+TCR的基礎(chǔ)上，增加了1個有源濾波器。該裝置不僅能補(bǔ)償無功和各次諧波，還可抑制閃變，具有高度可控性和快速響應(yīng)性。它是無功補(bǔ)償和諧波治理領(lǐng)域研究的主要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕